Hoe sterk is een 3D-print?

Hoe sterk is een 3D-print?

Een goed ontworpen FDM-print is sterk genoeg voor dagelijks gebruik: houders, haken voor lichte spullen, knoppen, clips, behuizingen en vervangstukken voor huishoudtoestellen. De sterkte hangt minder af van het materiaal dan van de printrichting en de wanddikte. Bij een stoot is een print tussen de lagen drie tot acht keer zwakker dan erlangs.

Vergeleken met een spuitgegoten onderdeel uit dezelfde kunststof kan een print langs de lagen in de buurt komen, maar dwars op de lagen is hij duidelijk zwakker. Een spuitgegoten stuk is één massa. Een print is een stapel van honderden laagjes die aan elkaar gesmolten zijn, en elke overgang is een mogelijke breuklijn. Wie daar bij het ontwerpen rekening mee houdt, krijgt een onderdeel dat verrassend veel kan hebben.

Waarom de printrichting het meeste uitmaakt

De printrichting bepaalt waar een onderdeel breekt. Bambu Lab meet voor zijn PLA Matte een slagvastheid van 19,2 kJ/m² in het vlak van de lagen en 6,6 kJ/m² dwars erop: drie keer minder. Bij ASA is het verschil nog groter, 41,0 tegenover 4,9 kJ/m². Een print breekt dus bijna altijd langs een laaglijn.

De cijfers komen uit de technische fiches van de fabrikant voor PLA Matte, PETG HF en ASA, gemeten volgens ISO 527 en ISO 179 op massieve proefstaven. Een echt onderdeel met een open vulling haalt die waarden niet. Ze tonen wel de verhouding: bij een rustige trekkracht is het verschil tussen de richtingen beperkt, bij een stoot is het groot.

In de praktijk: een haak die rechtop geprint wordt, heeft zijn laaglijnen precies op de plaats waar hij buigt en knapt daar af. Dezelfde haak plat op zijn zijkant geprint, heeft doorlopende lijnen van de voet tot de punt. Zelfde bestand, zelfde materiaal, een heel ander onderdeel.

Wanden of infill: wat maakt sterker?

Extra wanden maken een onderdeel sterker dan extra vulling. Als vuistregel geven drie tot vier wanden, samen 1,2 tot 1,6 mm, met 15 tot 25 % vulling een stevig onderdeel. Bij buigen en wringen zit de spanning aan de buitenkant, en daar zitten de wanden. De vulling houdt vooral de wanden op hun plaats.

Een standaardprint heeft twee wanden en ongeveer 15 % vulling. Dat volstaat voor decoratie en behuizingen. Voor een functioneel onderdeel is de volgorde van ingrijpen:

1. Meer wanden: van twee naar vier.
2. Dikkere bodem en bovenkant: vijf lagen in plaats van drie.
3. Meer vulling: van 15 naar 25 of 40 %, vooral nuttig waar een schroef of bout het stuk samendrukt.
4. Massief: alleen voor kleine onderdelen zoals tandwielen of pennen.

Elke stap maakt de print zwaarder en trager, en dus duurder. De wanddiktes die goed printen, staan bij de ontwerpregels voor FDM.

Welk materiaal is het sterkst?

Het hangt af van wat sterk moet betekenen. PLA is het stijfst en buigt het minst door, maar breekt plots. PETG is taaier en plooit eerst. ASA combineert de hoogste treksterkte (52 MPa volgens de fabrikant) met de beste weerstand tegen warmte, maar vangt een stoot dwars op de lagen het slechtst op.

Kies dus op de manier waarop het onderdeel belast wordt:

• Stijf en vormvast, zonder stoten: PLA. Een beugel, een standaard, een behuizing.
• Buigen, klikken, schokken: PETG. Een clip, een scharnier, een handgreep.
• Warmte of buiten: ASA. Alles wat boven 60 °C komt of in de zon staat.

Onder een blijvende last gedraagt PLA zich minder goed dan zijn cijfers doen vermoeden: het kruipt langzaam uit vorm, zeker als het warm wordt. Voor een klem of een onderdeel dat onder spanning gemonteerd wordt, is PETG daarom de betere keuze. De vier materialen staan naast elkaar in de gids PLA, PETG of ABS/ASA.

Kan een 3D-print een metalen onderdeel vervangen?

Soms, als het metalen onderdeel licht belast is en niet warm wordt. Een afdekkap, een afstandsbus, een knop, een geleider of een beugel voor een lichte last lukt vaak in kunststof, mits het ontwerp dikker wordt. Een onderdeel dat een zware of wisselende last draagt, warm wordt of iemands veiligheid bepaalt, vervang je niet door een print.

Kunststof is veel minder stijf dan staal of aluminium. Een geprint onderdeel in de vorm van het metalen origineel buigt dus veel meer door. Het ontwerp moet mee veranderen: dikkere wanden, ribben, grotere afrondingen en brede steunvlakken onder schroeven.

Goed om weten. Yannic Fréson 3D print geen veiligheidskritische onderdelen: niets voor remmen, stuurinrichting, gordels of helmen, geen hijs- of klimmateriaal, geen onderdelen die een persoon dragen en geen dragende onderdelen waarvan het falen schade of letsel kan veroorzaken. Een draagvermogen in kilogram wordt nooit beloofd. Dat is geen voorzichtigheid om de voorzichtigheid: een print kan een verborgen zwakke laag hebben die je van buiten niet ziet.

Het eerlijke antwoord is soms: laat dit niet printen. Dat hoor je dan voor de offerte, niet erna.

Zo ontwerp je een sterker onderdeel

Een sterker onderdeel begint bij het ontwerp, niet bij de vulling. Rond inwendige hoeken af met een straal van minstens 2 mm, maak wanden 1,6 tot 2,4 mm dik op belaste plaatsen en zorg dat het onderdeel plat kan liggen in de richting waarin het belast wordt. Scherpe hoeken zijn de plaatsen waar scheuren beginnen.

Concreet:

• Rond binnenhoeken af. Een afronding spreidt de spanning. Een scherpe hoek concentreert ze op één laaglijn.
• Voeg ribben toe in plaats van massa. Een rib van 2 mm maakt een plaat veel stijver dan een millimeter extra dikte.
• Geef het stuk een vlakke zijde. Dan kan het in de sterke richting geprint worden zonder steunmateriaal.
• Spreid de kracht van schroeven. Gebruik een sluitring of een brede kraag, en inzetmoeren waar vaak aangedraaid wordt.
• Vermijd dunne pennen rechtop. Een pen van 3 mm die verticaal geprint is, breekt op een laaglijn. Leg hem neer of maak er een apart, liggend geprint onderdeel van.
• Splits het onderdeel als het moet. Twee delen die elk in hun sterke richting geprint zijn en nadien verlijmd of verschroefd worden, zijn sterker dan één stuk in een compromisrichting.

Zelf laten printen?

Is er iets gebroken en wil je het sterker terug dan het was, vertel dan waar het brak en wat het moet verdragen. Het ontwerp en het materiaal worden daaraan aangepast. Lees meer over een kapot onderdeel laten namaken of vraag je offerte aan.